潘柏滔

本文原刊於《舉目》官網2017.10.17

 

2017年諾貝爾生理學或醫學獎（Nobel Prize in Physiology or Medicine），授予了霍爾（Jeffrey C. Hall）、羅斯巴（Michael Rosbash）和揚（Michael W. Young）3位科學家，獎勵他們發現了生物體中的“調控晝夜節律的分子機制”。

這項獲獎的研究課題，與聖經中的創造神學有不謀而合之處，值得我們思考。

奇妙的同步

我們早就知道，生物，包括人類，有內在的生物鐘（circadian rhythm），用以幫助生物預測和適應外界節奏規律。不過，這個生物鐘具體是如何工作的呢？

這次獲獎的3位科學家，經過多年的研究，利用果蠅作為模式生物，找出了一種能控制其日常生物節律的基因。而且，他們把這種“週期基因”分離了出來。接著，他們發現了週期基因編碼的蛋白PER。這種蛋白在夜間不斷累積，在白天分解，而且是以24小時為週期，正好與地球的晝夜一致。也就是說，地球生物的自有節律，奇妙地與地球自轉保持了同步。

問題是，PER是怎麼做到這樣一點的呢？他們發現了時鐘基因Timeless，它編碼晝夜節律所需的TIM蛋白，以及另一種時鐘基因Doubletime，它編碼DBT蛋白，能夠延遲PER蛋白的聚集。TIM與PER結合，雙雙進入細胞核並停止PER和TIM生產。

這些基因，加上其他控制生物鐘過程的基因（例如Joseph Takahashi及同事在1997年發現的Clock），猶如生物鐘的發條彈簧，通過正負調控等方式，調節著生物的晝夜節律。

生物鐘例子

三文魚

三文魚（Salmon）會從大海游回自己的出生地（河溪的上游），繁殖下一代。

8月份是三文魚回游的高峰。三文魚成年以後，會利用太陽和地球磁場的引導，從大海回游到自己的出生地，繁殖下一代，然後力竭而死。回游的過程十分艱辛，不但要從海水進入淡水，還要逆流而上，在湍急的水流中奮力前遊，在有落差之處要不懈地跳躍而過。它們的身體變得越來越紅，彷彿流血，也有許多損傷，然而它們服膺大自然的神秘召命，義無反顧。

三文魚目的，既是生，也是死——它們在繁殖下一代後，隨即就死去。這艱苦的旅程，既為了生命而拼搏，也是自投死亡。對人類而言，為生存、為下一代拼搏至盡，是理解的。可是為了奔赴死亡而竭盡全力，就費解了。

大多魚類都不會這樣回游，為何三文魚要走這一趟既生且死的旅程﹖在它們的遺傳因數中，包含了一個深邃的指令，到了時候，它們就會聽令，千里迢迢地回游。科學家正在採用如基因轉錄譜（comparative transcription profiles），在野生和飼養的三文魚中比較，力圖找到它們回游的基因機制。

 

 

帝王蝶

帝王蝶（Monarch Butterfly，學名Danaus plexippus），通過4代的接力，飛越上萬里，從北美到達墨西哥越冬地。

千千萬萬隻處在半冬眠狀態的帝王蝶合抱著杉樹，覆蓋著山坡。它們正在養精蓄銳，準備開春後重返北美的原野。望著這漫山遍野的帝王蝶，觀賞的人可能不知道，帝王蝶春天裡向北遷徙，秋天南返，要通過4代的接力才能完成此項壯舉。也就是說，飛越上萬里到達墨西哥越冬地的帝王蝶，生前從未到過該地。它們究竟是依靠什麼機制，萬里翩飛不迷路？帝王蝶體內一定有一種編碼，指引著帝王蝶。

研究東北美國帝王蝶的科學家，發現帝王蝶體內有一套基因，可能參與驅使蝴蝶遷移。他們研究了與帝王蝶的遷徙迴圈相關聯的40個基因。帝王蝶通過內部“太陽羅盤”來為自己定位，並向南開始4000公里的飛翔路程。

最新的研究證實，帝王蝶越冬遷徙的導航，依靠的是經生物時鐘訊號校正過的太陽方位。帝王蝶一路西南行，早上沿著太陽右邊向前飛，下午靠著太陽左邊飛。其導航機制甚為複雜——太陽光線通過帝王蝶複眼的處理，經由大腦中央複合體中的複雜電路，並結合時間信息（帝王斑蝶的內部時鐘集中在觸鬚部位），最後判斷出應該朝向哪個方向飛行。

植物

植物中也有生物時鐘，調節每天的日常生理。

植物中的光合作用，以及與之相關的運動，是由遍佈植物體的多個時鐘共同控制的。例如在實驗中可以觀察到，光照對基因表達產生的影響，引起了光合作用組織的新陳代謝。葉綠體內的類囊體膜上的光收集器（Lhc），每天都會進行光合作用。光會影響細胞核基因的轉錄和翻譯。到目前為止，番茄上已發現19個光收集器基因。

植物中還有早上時鐘和晚上時鐘。這兩個時鐘由NPR1基因連接，而且週期基因若產生變異，可以改變其節律的波動。科學家的這個發現，為控制生理時鐘的基本機制提供了第一個線索：週期基因（“早晨基因”和“夜晚基因”）的蛋白產物，可以按著24小時的週期循環，抑制自身生產的反饋路線。植物擬南芥（Arabidopsis，又名阿拉伯芥），可按著病菌對它的早上攻擊，在早上增強自身的防禦功能，抵抗病菌感染。

 

 

時鐘與壽命

人體內的生物鐘，幫助調整我們的生理功能，包括行為、激素水準、睡眠、體溫和代謝等關鍵功能，直接影響我們的健康。當外部環境和內部生物鐘不匹配，當人的生活方式和身體內的生物鐘出現長期慢性失調時，我們疾病的風險會增加許多。

例如，科學家以小鼠模型研究人類的生物鐘，發現若缺乏一種Bmal1（核心時鐘基因），會導致小鼠晝夜節律喪失，心率和血壓的正常的晝夜變化消失。生物鐘如此失調的結果是，小鼠老化加速，壽命縮短。

又如，老人通常都有睡眠的問題。如果科學家能消除人腦中的β-amyloid澱粉樣蛋白(Aβ)沉積，使老人的生物鐘正常化，很可能改善老人的癡呆病（老年癡呆症發作前的幾年，人腦中會開始沉積Aβ）。

膳食與睡眠障礙也有關係。在食物中加上支鏈氨基酸（Branched chain amino acids），通過調節食欲的腦神經細胞的運作，可以改善小鼠因損傷而誘發的睡眠障礙，並可能促進腦損傷後的認知康復。

我們都知道咖啡因（caffeine）影響睡眠。科學家發現，睡前3小時內，若喝了與兩杯黑咖啡相當的咖啡因劑量，會導人的晝夜節律褪黑素（melatonin，助長睡眠的荷爾蒙）節律延遲約40分鐘。這種延遲的幅度，幾乎等於面對3小時強光所引起褪黑素效應延遲的幅度的一半。

科學家們發現，咖啡因增加迴圈AMP（cyclic AMP，一種促進細胞活動的化合物）的水準，表明咖啡因影響細胞晝夜節律鐘的核心成分。這種研究結果顯示出世界上消費最廣泛的咖啡因如何影響人類生理。

創造的節奏

生物鐘並非無目的進化而來，而是反映了上帝創造生命節奏的奇妙。“日頭出來，日頭落下。”（《傳》1：5）在《創世記》第一章，不斷出現“有晚上，有早晨”，有始有終。上帝造光體，分日夜，定年歲，週而復始，成為地球和生命的節奏。

創造主無始無終，創造物有始有終。在上帝的計劃中，凡事都有定時！

上帝造生物各從其類，在各種生物中設定生物鐘，包括人類，使被造物按照上帝的設計，與地球節奏協調。造物主如此創造我們，我們就當按造物主的意思過我們的一生，否則會有不良的後果。

“上帝說”（參《創》1：3、6、9、11、14、20、24、26、28、29），“各從其類”（參《創》1：11、12、20-25），在《創世記》中，各出現了10次。“10”在希伯來文中，有圓滿、完美的涵義，寓指上帝所造完美。宇宙萬物不是自我存在或是毫無目的，而是一位有位格的創造者，按照祂的意願，憑藉祂的偉大和權能，說有就有，命立而立。

生物鐘再次让我們體驗到上帝在受造物中設立的自然秩序。上帝從無創造了有，從混亂中創造了次序。自然秩序是科學研究的大前提，也是人生活的依據。

生物鐘再次表達出上帝創造生命節奏的奇妙。日月和生命的節奏提醒我們，凡事都有定時（參《傳》3：1-8）。主耶穌也吩咐我們，一天的難處一天當就夠了（參《太》6：34）。因為萬事都是按照上帝的定時進行，我們只需謹慎自守，警醒禱告，等候上帝的旨意成就（參《彼前》4：7、17）。

 

參考書目：

Science 06 Oct 2017:Vol. 358, Issue 6359, pp. 18, DOI: 10.1126/Science. 358.6359.18

https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2164-15-884

http://www.npafc.org/new/publications/Technical%20Report/TR9/Nakamichi%20et%20al.pdf

http://www.wenxuecity.com/blog/201607/64367/1129592.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2009/03/090330200615.htm

http://repPERtlab.org/media/files/publications/are2015.pdf

https://zh.wikipedia.org/wiki/時間生物學

http://www.ebiotrade.com/newsf/2015-6/2015623173306517.htm

 

作者來自香港，生物學博士及神學碩士。在美國惠頓大學（Wheaton College）任教41年，現為該校生物學名譽教授。